高速电路设计理论基础VIP

1、6.1.高速电路设计理论基础高速电路设计理论基础刘国满北京理工大容提要内容提要l高速数字电路简介l信号完整性l概述l传输线理论l反射及端接技术l串扰及其改善l地弹及其改善高速数字电路简介高速数字电路简介电路的发展电路的发展l数字电路的发展科追溯到19世纪40年代，在电话中使用继电器。l以后经历了电子管时代-晶体管时代-集成电路时代l发展的趋势是速度越来越高，功耗越来越低，封装越来越小，规模越来越大。（设计者需要折衷）高速数字电路简介高速数字电路简介封装的发展封装的发展高速数字电路简介高速数字电路简介电路板的发展电路板的发展元件都是用导线连接的，而元件的固定是在空间中

2、立体进行的，就像实验室里实验电路那样以一块板子为基础，铆钉和接线柱做接点，用导线把接点依电路要求，在板的一面走线，另一面装元件单面板双面板多层板原始电路板pcbpcbpcb高速数字电路简介高速数字电路简介高速电路的特点高速电路的特点(1)l什么是高速电路？ 频率 vs. 信号沿高速数字电路简介高速数字电路简介高速电路的特点高速电路的特点(2)l = 5.6in.10-in. trace+-v(t)0 in.10 in.1-in.trace+-v(t)0ns1ns2ns3ns4ns0ns1ns2ns3ns4ns分布参数线上每一点电压不同集总参数线上所有点电压相同0ns1234timev(t)t1

3、0-90= 1ns假设一种脉冲信号的上升沿大约是1.0ns，它在fr-4的印刷电路板中沿内层走线传输有5.6in.长，这由以下公式可算得： drttl 上升时间单位时延上升沿长度drttlen61信号完整性信号完整性概述（概述（1）信号完整性（signal integrity,简称si）是指在信号线上的信号质量。差的信号完整性不是由某一单一因素导致的，而是板级设计中多种因素共同引起的。当电路中信号能以要求的时序、持续时间和电压幅度到达ic时，该电路就有很好的信号完整性。当信号不能正常响应时，就出现了信号完整性问题。 信号完整性信号完整性概述（概述（2）l信号完整性问题l误触发 l阻尼振荡l过冲

4、 l欠冲 l原因l反射 l串扰l地弹 传输线理论传输线理论四种常见传输线四种常见传输线同轴电缆双绞线微带线带状线外层介质外层屏蔽内层介质内层导体传导层介质接地层介质第一导体介质第二导体接地层介质传导层接地层传输线理论传输线理论传输线模型（传输线模型（1）dzdzdz去无限远lllccc+-+-+-+-v1v2v3v4注：l,c分别为传输线的分布电感和分布电容， 表示微元长度。 dz理想传输线模型：lrcg+-v1lrcg+-v2去无限远+-vsrsdzdz注：l,c,r,g分别为传输线上的分布电感、分布电容、分布电阻和分布跨导，dz表示微元长度 实际传输线模型：传输线理论传输线理论传输线模型（

5、传输线模型（2）00cltpd 特性阻抗:000clivz理想传输线:0000000clcjgljrivz实际传输线: 单位长度时延:在信号频率很高时，若选取良导体制作传输线，并选取介质损耗小和绝缘性能较好的材料作为填充介质，则可以认为 和 00rl 00gc 传输线理论传输线理论pcb板中的传输线分析板中的传输线分析（1）顶层（第一层），信号层，微带传输线第二层，平面层第三层，信号层，带状传输线第四层，信号层，带状传输线第五层，平面层底层（第六层），信号层，微带传输线绝缘介质r传输线理论传输线理论pcb板中的传输线分析板中的传输线分析（2）54)5 . 1 (1 . 2,6,1 . 5, 3

6、 . 40zozcumiltmilwmilhr电介质htw信号层平面层r信号线(微带传输线) .67. 0475. 0858 . 098. 5ln41. 1870inpsttwhzrpdr0传输线理论传输线理论pcb板中的传输线分析板中的传输线分析（3）传输线理论传输线理论pcb板中的传输线分析板中的传输线分析（4）43)1 (38. 1,6,5 .14, 3 . 40zozcumiltmilwmilhr电介质r信号层平面层平面层hwt信号线(带状传输线) .858 . 09 . 1ln600inpsttwhzrpdr传输线理论传输线理论pcb板中的传输线分析板中的传输线分析（5）传输线理论传

7、输线理论反射的概念反射的概念传输线上只要出现阻抗不连续点就会出现信号的反射现象，如：信号线的源端和负载端、过孔、走线分支点、走线的拐点等位置都存在阻抗变化，会发生信号的反射。通常所说的反射包括负载端反射和源端反射。负载端与传输线阻抗不匹配时会引起负载端反射，负载将一部分电压反射回源端。源端与传输线阻抗不匹配时会引起源端反射，由负载端反射回来的信号传到源端时，源端也将的部分电压再反射回负载端。反射造成了信号振铃现象，如果振铃的幅度过大，一方面可能造成信号电平的误判断，另一方可能会对器件造成损坏。 传输线理论传输线理论反射（反射（1）zszlz0 001002zzzzrzzzzrssll负载端反射

8、系数：源端反射系数：源端阻抗传输线阻抗负载阻抗有正负传输线理论传输线理论反射（反射（2）zszlz0一次反射二次反射三次反射四次反射五次反射)()()(thax)(a)(xh)(xh)(xh)(xh)(xh)(t)(t)(t)(2r)(2r)(2r)(1r)(1r )()()(122trhrhaxx )()()(2122trhrhaxx负载端最终信号一次信号二次信号三次信号造成过冲、振铃传输线理论传输线理论反射（反射（3）1消除一次反射:消除二次反射: 02r0zzl 01r0zzs改善方法：短线:pdrttlen61传输线理论传输线理论串行端接串行端接z0rs串行端接匹配的信号源的阻抗，所插

9、入的串行电阻阻值加上驱动源的输出阻抗应该大于等于传输线阻抗（轻微过阻尼），即rs=z0-r0传输线理论传输线理论并行端接并行端接z0rt = z0简单并行端接z0r2戴维宁(thevenin）并行端接vccr102121zrrrrrtz0有源并行端接vbiasrt = z0简单，但要保证足够大的高电平驱动电流，所以电流消耗大简单，但选择vbias要保证驱动源在输出高低电平时的汲取能力,比较困难。分压器型端接，利用上下拉电阻构成端接来吸收反射。虽然降低了对器件驱动能力的要求，但r1和r2一致从系统电源中吸收电流，会增加系统的直流功耗。传输线理论传输线理论多负载端接多负载端接传输线理论传输线理论造

10、成反的其它原因造成反的其它原因l过孔l走线分支l走线拐角传输线理论传输线理论过孔过孔接地层垫片外径通孔本体清洁环12141. 1dddtc14ln08. 5dhhl传输线理论传输线理论减小过孔影响减小过孔影响l从成本和信号质量两方面考虑，选择合理尺寸的过孔大小。比如对6-10层的内存模块pcb设计来说，选用10/20mil（钻孔/焊盘）的过孔较好，对于一些高密度的小尺寸的板子，也可以尝试使用8/18mil的过孔。目前技术条件下，很难使用更小尺寸的过孔了。对于电源或地线的过孔则可以考虑使用较大尺寸，以减小阻抗。l上面讨论的两个公式可以得出，使用较薄的pcb板有利于减小过孔的两种寄生参数。lpcb

11、板上的信号走线尽量不换层，也就是说尽量不要使用不必要的过孔。l电源和地的管脚要就近打过孔，过孔和管脚之间的引线越短越好，因为它们会导致电感的增加。同时电源和地的引线要尽可能粗，以减少阻抗。l在信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔，以便为信号提供最近的回路。甚至可以在pcb板上大量放置一些多余的接地过孔。 传输线理论传输线理论走线分支走线分支分支点z0z0z0rt=z0abcvcrt=z034v反射v 反射31+1ad开路v二次反射b31反射系数31分支造成反射现象传输线理论传输线理论走线拐角走线拐角一个布线弯角可以视为一个分布电容061zewcr传输线理论传输线理论串扰的概念串扰的概念串扰是指

12、当信号在传输线上传播时，因电磁耦合对相邻的传输线产生的不期望的电压噪声干扰。过大的串扰可能引起电路的误触发，导致系统无法正常工作。串扰会随着印刷电路板的走线密度增加而越显严重。 传输线理论传输线理论串扰耦合模型串扰耦合模型.lmcm.lmcm.lmcm.lm近端远端传输线理论传输线理论互感耦合互感耦合.lm.lm.lm.lmabcd近端远端驱动信号acdbtp2tpt10-90输入信号的负导数总面积相等 互感耦合动作原理 ：互感耦合的正向/反向串扰的波形： 传输线理论传输线理论互容耦合互容耦合 互容耦合动作原理 ：互容耦合的正向/反向串扰的波形： cmcmcm近端远端cmacbd驱动信号acd

13、btp2tpt10-90输入信号的导数总面积相等传输线理论传输线理论互感互感/ /互容耦合的总体效果互容耦合的总体效果 在一般的情况下，在有连续的地平面时，感性耦合串扰和容性耦合串扰大小很接近，那么正向串扰抵消掉了，而反向串扰加强了一倍。带状传输线电感耦合和电容耦合非常平衡，所以正向耦合系数很小。微带传输线的容性耦合串扰要比感性的小一些，导致了有小的负正向耦合系数。当地平面不是很理想时，如地平面出现裂缝或地平面为栅格状等，感性串扰要比容性串扰大得多，所以正向串扰电压会大而且是负值，但正向串扰电压一定不大于反向串扰电压。 传输线理论传输线理论感性耦合串扰的集总模型分析感性耦合串扰的集总模型分析(

14、1)(1) 信号回路耦合 传输线理论传输线理论感性耦合串扰的集总模型分析感性耦合串扰的集总模型分析(2)(2) 低速信号回路 高速信号回路 传输线理论传输线理论感性耦合串扰的集总模型分析感性耦合串扰的集总模型分析(3)(3) 传输线理论传输线理论感性耦合串扰的集总模型分析感性耦合串扰的集总模型分析(4)(4) 传输线理论传输线理论感性耦合串扰的集总模型分析感性耦合串扰的集总模型分析(5)(5) 传输线理论传输线理论感性耦合串扰的集总模型分析感性耦合串扰的集总模型分析(6)(6) h地平面d两条相互耦合的走线 21hdkvml依赖于信号的上升沿和耦合长度，上升延越小k越大，耦合长度越长k越大传输

15、线理论传输线理论串扰的改善方法串扰的改善方法 l地平面在串扰的问题上起着至关重要的作用。为了减小串扰，可以在成本允许的情况下尽可能多的增加地平面，如果实在没法拥有地平面，那么要保证pcb中的高速走线的信号回路尽量小，串扰不至于造成错误的后果。另外，要保证地平面连续、无裂缝。针对三种造成裂缝的原因有三种做法：1)除非万不得已，一般不要在地平面走线，哪怕只是一根线，它都会对信号回路造成很大的影响。2)不要选用管脚间距过于密集的穿孔器件或接插件，除非该接插件对信号回路没有影响。3）在pcb上打过孔时，尽量拉大过孔之间的距离，让每两个过孔之间都能铺进去铜。注意在pcb铺铜时，一定要理解铺铜的各种规则设

16、置，不要因为规则没有设置好而致使两个孔之间没有铺进铜。l拉大两条信号线之间的距离，减小耦合程度。l相邻信号层信号尽量相互垂直或成一定的角度。l高速信号线尽量走在贴近地平面的信号层里，以减小走线与地平面之间的距离。l减小高速信号走线的长度，否则高速信号附近的会有更多的信号受其影响。一根信号线如果贯穿整个pcb，将会造成很大危害l在速度满足要求的前提下，使用上升沿较缓的驱动器。 传输线理论传输线理论地弹的概念地弹的概念输出信号的翻转导致芯片内部参考地电压的飘移叫做地弹。接地反弹的噪声常见的现象是会造成系统的逻辑运作产生误动作，它主要是源自于电源路径以及ic封装所造成的分布电感。当器件输出信号有翻转

17、时，就会产生噪声短脉冲。当系统的速度越快或同时转换逻辑状态的i/o管脚个数越多时就越容易造成接地反弹。 传输线理论传输线理论地弹（地弹（1） +_vgndlgnd地管脚电感idischarge负载cvccvin输出电路输出驱动电路开关a开关b地平面v(t)+_逻辑器件封装的引线电感 tv dttdv 22dttvd一阶导数二阶导数传输线理论传输线理论地弹（地弹（2） 8-锁存器的输出 q8-锁存器的输入 d理想的时钟地信号发生地弹的信号ff00 xxff00 xxabc地弹分析 传输线理论传输线理论地弹的改善方法地弹的改善方法 l接地反弹与引线电感成正比，所以应尽量减少分布电感量。方法有两个，首先是减少ic封装的引线电感，做法一是在考虑ic引脚的配置图时，就应该将时钟信号或数据/地址总线的最低位（lsb）引脚摆放在靠近芯片的地方；其次是采用引线电感较小的ic封装技术。几种常见的ic封装中，di